Цель статьи
Целью данной статьи является обоснование и опытно-теоретическая проверка нового интегрального критерия эффективности гидроциклонных фильтров-сепараторов, предназначенных для очистки автомобильных антифризов.
Изложение основного материала
Нами предлагается в качестве нового критерия оценки эффективности ГФС использовать отношение коэффициента фильтрации к гидравлическим потерям АР:
Если выразить гидравлические потери через коэффициент местного сопротивления:
то получим безразмерный эффективности ГФС:
Используя данный, предлагаемый нами, безразмерный критерий можно сравнивать эффективность ГФС различных конструкций. При этом предлагаемый критерий учитывает одновременно способность фильтра к улавливанию твердых частиц загрязнений и гидравлические потери, создаваемые фильтром.
Следует отметить, что при сравнении различных конструкций ГФС с помощью предлагаемого критерия эффективности, необходимо обеспечить одинаковые условия работы ГФС. К таким условиям относятся: расход жидкости через фильтр, размер и плотность улавливаемых частиц. Эти условия связаны с тем, что гидроциклонные фильтры-сепараторы имеют одну особенность - при каждом конкретном расходе (скорости) потока улавливающая способность фильтра по отношению к частицам разных размеров будет различной.
Для определения влияния геометрических характеристик ГФС на гидравлические и сепарационные процессы были выбраны следующие параметры (рис. 2):
1. относительная длина выходного патрубка - отношение длины выходного патрубка к расстоянию от верхней стенки до нижней стенки конуса (рис. 2а);
2. угол конуса сепарирующей чашки (рис.2б);
3. относительная площадь улавливающих окон сепарирующей чашки - отношение площади окон к площади образующей конуса (рис.2в).
Первый параметр - относительная длина выходного патрубка - является схожим элементом в конструкциях разрабатываемого ГФС и классического гидроциклона. Влияние этого параметра на гидравлические и сепарационные процессы в традиционных гидроциклонах оценивалось многими исследователями [9], но их результаты часто противоречивы. Исходя из этого, было принято решение провести собственные исследования влияния этого геометрического параметра на работу создаваемого ГФС.
Выбор в качестве параметров угла конуса и относительной площади улавливающих окон сепарирующей чашки обусловлен тем, что они являются отличительной особенностью конструкции разрабатываемого ГФС по сравнению с традиционным гидроциклоном, соответственно исследованием их влияния на гидравлические и фильтрационные показатели ранее никто не занимался.
а б в
Рис. 2. Конструктивные параметры ГФС: а - относительная длина выходного патрубка; б - угол конуса сепарирующей чашки; в - относительная площадь улавливающих окон сепарирующей чашки (представлены примеры конструкции с крайними значениями)
Исследования ГФС проводили на комплексной лабораторной установке [10], которая позволяет определять коэффициент фильтрации и гидравлическое сопротивление различных вариантов конструкций фильтров.
При этом все конструкции ГФС исследовались при одинаковых режимных параметрах - при постоянном расходе жидкости, с использованием твердых частиц одинакового размера и одинаковой плотности.
По результатам проведенных исследований были получены зависимости перепада давления, коэффициента фильтрации и критерия эффективности от выбранных геометрических параметров. Все зависимости представлены на рис.3-8.
Как следует из приведенных зависимостей (рис. 3), относительная длина выходного патрубка оказывает значительное влияние на коэффициент фильтрации и практически не оказывает влияния на гидравлическое сопротивление ГФС. Используя критерий эффективности, делаем обоснованный вывод о том, что максимальная эффективность ГФС достигается при значении относительной длины выходного патрубка в пределах 0,05...0,1 (рис. 4).
Рис. 3. Зависимость перепада давления и коэффициента фильтрации
от относительной длины выходного патрубка
Рис. 4. Зависимость критерия эффективности от относительной длины выходного патрубка
Приведенные зависимости (рис. 5) показывают, что угол конуса сепарирующей чашки оказывает значительное влияние на оба показателя - и на коэффициент фильтрации, и на гидравлическое сопротивление. С помощью критерия эффективности определяем, что максимальная эффективность ГФС достигается при значении угла конуса улавливающей чашки в пределах 20...25 градусов (рис. 6).
Рис. 5. Зависимость перепада давления и коэффициента фильтрации от угла конуса сепарирующей чашки
Рис. 6. Зависимость критерия эффективности от угла конуса сепарирующей чашки
Относительная площадь улавливающих окон гидравлическое сопротивление ГФС (рис. 7). сепарирующей чашки оказывает существенное влияние на коэффициент фильтрации и на эффективности. Используя предложенный критерий, делаем вывод о том, что максимальная эффективность ГФС достигается при окон сепарирующей чашки в пределах 0,2...0,25 значении относительной площади улавливающих (рис. 8).
Рис. 7. Зависимость перепада давления и коэффициента фильтрации от относительной площади улавливающих окон сепарирующей чашки
Рис. 8. Зависимость критерия эффективности от относительной площади улавливающих окон сепарирующей чашки улавливающих окон сепарирующей чашки
Выводы и предложения
1. Предложен новый интегральный критерий оценки эффективности гидроциклонных фильтров - сепараторов, связывающий показатели их улавливающей способности и гидравлического сопротивления. Новый критерий позволяет оптимизировать (сбалансировать) эти важнейшие рабочие показатели фильтра-сепаратора.
2. Использование нового критерия позволило при исследовании выявить влияние основных геометрических параметров гидроциклонного фильтра-сепаратора:
- относительной длины выходного патрубка;
- угла конуса сепарирующей чашки;
- относительной площади улавливающих окон сепарирующей чашки.
3. По результатам проведенного исследования с помощью нового критерия получены рациональные значения указанных конструктивных параметров, обеспечивающие максимальную эффективность гидроциклонного фильтра-сепаратора, предназначенного для автомобильных антифризов. При этом достигнут рациональный баланс между гидравлическим сопротивлением фильтра-сепаратора и его улавливающей способностью.
Список литературы
1. Салахов Р.Р. Теплообмен в зарубашечном пространстве авиационного поршневого двигателя и разработка адаптивной системы охлаждения с целью улучшения его характеристик на режиме прогрева: дис. ... канд. тех. наук / Р.Р. Салахов. - Казань, 2015
2. Жуков В.А. Обеспечение надежности жидкостных систем охлаждения / В.А. Жуков // Вестник РГТАУ. - 2013. - №4. - С.156-160
3. Эреджепов М.К. Влияние качества охлаждающих жидкостей на ресурс автотракторных двигателей / М.К. Эреджепов, А. У. Абдулгазис // Ученые записки крымского инженерно-педагогического университета. - 2014. - №43. - С.38-44.
4. Eaton E.R., Duvnjak E. Examinatoins of Extended Life Heavy Duty Engine Coolant Filters. - SAE Techn. Pap. Ser. № 2004--1-0157. - 10 pp.
5. Системы охлаждения тракторных и автомобильных двигателей. Конструкция, теория, проектирование /А.И. Якубович и др. - М.:ИНФРА-М, 2014. - 473 с.
6. Антропов Б.С. Защита радиаторов системы охлаждения двигателей от продуктов накипи и коррозии / Б.С. Антропов, В.А. Бодров, И. С. Басалов // Вестник АПК Верхневолжья. - 2014. - №4. - С.82-84.
7. Патент РФ № 2 625 891, 19.07.2017. Драгомиров С.Г., Драгомиров М.С., Эйдель П.И., Гамаюнов А.Ю., Журавлев С.А., Селиванов Н.М. Гидроциклонное устройство для очистки от твердых частиц загрязнений охлаждающей жидкости поршневых двигателей
8. Башаров М.М., Сергеев О.А. Устройство и расчет гидроциклонов /Под ред. А. Г. Лаптева. - Казань: Вестфалика, 2012. - 92 с.
9. Сабуров Э.Н., Карпов С.В. Циклонные устройства в деревообрабатывающем и целлюлозно-бумажном производстве. - М: Экология, 1993. - 368 с.
10. Эйдель П.И. Лабораторная установка для исследований фильтров охлаждающей жидкости поршневых двигателей /П.И.Эйдель,А.Ю. Гамаюнов, Н.М. Селиванов // Актуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств. Материалы XVII Международной научно-практической конференции ВлГУ. - Владимир: ВлГУ, 2015. - С. 285-288.